Olvídese de las trampas para ratones: los científicos de hoy en día obtendrán el queso si logran construir una batería mejor.
Un equipo internacional dirigido por el químico de la Universidad de Texas A&M Sarbajit Banerjee está un paso más cerca, gracias a una nueva investigación publicada hoy 28 de junio en la revista Comunicaciones de la naturaleza que tiene el potencial de crear baterías más eficientes al arrojar luz sobre la causa de uno de sus mayores problemas: un "embotellamiento" de iones que ralentiza su proceso de carga y descarga.
Todas las baterías tienen tres componentes principales: dos electrodos y un electrolito interviniente. Las baterías de iones de litio funcionan bajo el denominado modelo de silla mecedora. Imagine descargar y cargar una batería de forma similar al movimiento de una silla mecedoraA medida que la silla se balancea hacia un lado, utilizando su energía almacenada, los iones de litio fluyen de un electrodo a través del electrolito hacia el otro electrodo. Luego, mientras la silla se balancea hacia el otro lado, cargando la batería después de un día de uso, sucede lo contrario,vaciar el segundo electrodo de iones de litio.
"Básicamente, cuando tienes una batería, cada vez que la usas, comienza a morir un poco", dijo Banerjee. "Cuanto más la usas, más muere. Eventualmente, se vuelve inutilizable. Teóricamente hablando,espera un cierto rendimiento de una batería, y rara vez llega a ese punto. La gente se ha perdido al comprender todos los factores que contribuyen a esta falta de capacidad total. Este estudio nos señala en esa dirección ".
Utilizando uno de los microscopios de rayos X blandos más potentes del mundo, el Microscopio de rayos X de transmisión de escaneo STXM, en Canadian Light Source CLS junto con décadas de experiencia combinada en ciencia de materiales, Banerjee y colaboradoresdel Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, la Universidad de Binghamton y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST pudieron obtener imágenes de un atasco de iones de litio impulsados químicamente a través de los canales basados en nanocables de una batería simulada.
"Para que una batería funcione correctamente, necesita introducir iones de litio y poder extraerlos", dijo Banerjee. "Una vez que nuestros iones de litio entraron, vimos que se detenían enalgún punto en el camino "
Banerjee señala esta interrupción como un verdadero fantasma en la máquina que no solo ralentiza todo sino que a veces evita que el dispositivo, ya sea un teléfono celular o una computadora portátil, explote todo el potencial de la batería.está en los detalles, que en este caso muestran claramente que los electrones, una vez unidos a los iones de litio, parecen contentos de sentarse en lugar de moverse libremente, distorsionando así la estructura electrónica y, en esencia, atrapando o vaciando el flujo de energía.
Dos de los estudiantes de posgrado de Banerjee, Luis De Jesús y Gregory Horrocks, son primeros autores conjuntos en el artículo de Nature que detalla la investigación financiada por el equipo de la National Science Foundation, que también cuenta con un tercer estudiante de posgrado de Texas A&M, Abhishek Parija. Científico del personal de Berkeley Lab.David Prendergast y su compañero posdoctoral Yufeng Liang en Molecular Foundry de Berkeley Lab, una instalación de usuarios nacionales del Departamento de Energía de EE. UU. Para la investigación científica a nanoescala, ayudaron al equipo de Texas A&M a diseñar e implementar sus cálculos, que fueron verificados experimentalmente por colegas de Binghamton y utilizando NIST National SynchrotronLíneas de luz de la fuente de luz en el Laboratorio Nacional Brookhaven supervisadas por Daniel Fischer. Los cálculos se realizaron utilizando Molecular Foundry y los recursos informáticos de Texas A&M.
Prendergast de Berkeley Lab señala que el trabajo del equipo demuestra cómo los rayos X pueden "ver" pequeños polarones, la combinación de una partícula cargada electrón y una distorsión estructural asociada, a través de su impacto en la estructura electrónica alrededor de los átomos de oxígeno enel cátodo. Se ha propuesto previamente que los pequeños polarones estén presentes en el transporte dentro de los cátodos de iones de litio, pero no se han "visto" directamente hasta ahora.
Prendergast dice que, para dar paso al litio adicional a la estructura, los iones de litio deben difundirse, arrastrando sus electrones. Pero como un pequeño polaron, también tiene que soportar la distorsión estructural, una verdaderaarrastre para el transporte de carga en un material.
"Imagine querer trasladar una casa a un sitio diferente", dijo Prendergast. "Una casa de madera se puede transportar de una pieza, pero una casa de ladrillo o piedra podría tener que ser desmantelada o demolida primero".
El equipo también pudo identificar el sitio específico donde el electrón se encuentra dentro de la partícula, hasta el orbital. Curiosamente, dice De Jesús, el atraco siempre ocurre en el mismo punto dependiente del material.
Una vez que entra el litio, Banerjee nota que hay una distorsión muy leve que hace que los electrones queden atrapados en un avión, donde forman lo que él describe como "charcos de carga" que no pueden unirse y moverse como deberían a travésel material.
"Siempre se puede establecer una analogía entre el agua y los electrones", dijo Banerjee. "Están haciendo estos pequeños charcos, pero hasta que los charcos estén conectados, no pueden fluir. Una vez que entran suficientes electrones, todos puedense conectan y comienzan a fluir. Pero hasta que eso suceda, están todos varados, y no pueden moverse para cargar o descargar algo. Entonces salen y se cuelgan en diferentes áreas de la partícula. Están todos sentados, definiendo diferentes regiones, y no pueden moverse fácilmente "
Banerjee, quien se unió al Departamento de Química de Texas A&M en 2014 y es miembro afiliado del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, ha estado trabajando durante varios años para comprender la intercalación de iones, el proceso por el cual los iones como el litio se muevendentro y fuera de otros materiales. Él dice que el análisis resultante se puede aplicar en muchas áreas diferentes, incluida una de las especialidades de su grupo: el diseño de mejores circuitos lógicos.
"Una de las cosas que observamos es, ¿por qué los dispositivos como los teléfonos celulares y las computadoras consumen tanta energía?", Dijo Banerjee. "Estamos tratando de desarrollar nuevos materiales para hacer mejores circuitos que consuman menos energía. Estoel trabajo se enfoca en el problema, y es una muy buena medida. Al final, pudimos llegar al fondo del problema ".
Para Banerjee, es un resultado impulsado por la más básica de las energías: la curiosidad. Hace un par de años, él y Horrocks se dieron cuenta al usar técnicas de laboratorio convencionales para estudiar el proceso de litiación en materiales catódicos que los iones de litio entrarían en las nanoestructuras mucho más rápido quetendrían estructuras más grandes. En ese mismo momento, hicieron su misión descubrir por qué más pequeño era más rápido, una búsqueda que finalmente los llevó a la Fuente de Luz Canadiense y a un equipo de investigación ampliado con, entre otros colegas de alto calibre, CLSEl científico de línea de haz de espectromicroscopía Jian Wang.
"Jian Wang fue muy instrumental, porque los revisores nos presionaron mucho para asegurarnos al 100 por ciento de que lo que estábamos viendo era real", dijo Banerjee. "El grupo Binghamton nos ayudó a verificar algunas de las predicciones en teoría. Tuvimos unobservación; calculamos y combinamos eso en los modelos y, a partir de ahí, los modelos predijeron algunas otras cosas. Básicamente dijeron: 'Bueno, si estás llenando un electrón en estos ciertos estados y ya no son visibles para ti por X-imágenes de rayos en una región particular del espectro, eso significa que ya están llenas, por lo que debería buscarlas en otro lugar ". Así que el grupo Binghamton nos ayudó a buscar en otro lado, y también vimos eso. Una vez más, eso realmentetrae a casa toda la historia "
El físico de Binghamton Louis Piper agrega que su grupo ha estado estudiando la formación de polarones y la migración en otros cátodos de baterías de iones de litio utilizando la metodología de espectroscopía de rayos X. Para este proyecto en particular, dice, su papel era confirmar que los cálculos del equipo estaban prediciendoel pozo de Polaron al hacer comparaciones directas utilizando otro método de observación, la espectroscopía de fotoelectrones de rayos X duros con un promedio espacial HAXPES, que puede sondear estados de energía ocupados.
"El STXM se está resolviendo espacialmente pero observa estados vacíos", dijo Piper. "En mi opinión, el STXM muestra los efectos espaciales de los polarones, lo cual es muy emocionante, mientras que los HAXPES confirmaron las energías. La combinación significó quepodríamos usar los cálculos para 'acercar' artificialmente el modelo.
"Considero que nuestro papel en Binghamton es mantener honestos los cálculos. Fue agradable ver que todos los enfoques convergen en este estudio".
Finalmente, Horrocks y Banerjee coinciden en que construir una batería mejor se reduce a encontrar una mejor manera de mover electrones, una hazaña en la que el tamaño importa y todo apunta al material.
"Hay dos maneras de resolver mejor el problema de mover electrones a través del material del cátodo", dice Banerjee. "Uno, puede hacer que las cosas sean más pequeñas o diseñar arquitecturas. Dos, puede crear materiales completamente nuevos, que es lo queestamos tratando de hacerlo. Básicamente, evitas que el electrón se quede varado porque diseñas el material de tal manera que no tenga orbitales donde se quedarían varados. Los obligas a estar siempre deslocalizados.varios materiales en mente y están tratando de publicar esa investigación "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas A&M . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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